Kuusi avaimen valumenetelmää: Kattava vertailu & Näkemyksiä

Esittely

Valu, yhtenä varhaisimmista hallituista metallin kuumatyöstöprosesseista ihmisille, historiaa on noin 6,000 vuotta.

Kiina astui kukoistusaikaan pronssivalujen välillä 1700 eKr. ja 1000 eKr, Valun ammattitaito saavuttaa melko edistyneen tason.

Nykyaikaisen valmistuksen ydinprosessina, valu mahdollistaa monimutkaisten metalliosien muodostamisen, joita on vaikea valmistaa takomalla tai koneistamalla, ja sitä käytetään laajalti ilmailussa, autoteollisuus, koneet, ja tarkkuusinstrumenttiteollisuudessa.

Valumenetelmien valinta määrää suoraan valun laadun, tuotannon tehokkuutta, ja valmistuskustannukset.

1. Vihreä hiekkavalu (Perinteinen hiekkavalu)

Ydin määritelmä & Prosessin periaate

Vihreä hiekkavalu on maailmanlaajuisesti perinteisin ja laajimmin käytetty valumenetelmä.

Sen ydinraaka-aine on valimohiekka (pääosin piidioksidihiekkaa; erikoishiekkoja, kuten zirkonihiekkaa ja korundihiekkaa, käytetään, kun piidioksidihiekka ei täytä korkean lämpötilan vaatimuksia) ja hiekan sideaineita (savi on yleisin; kuivaa öljyä, vesiliukoinen silikaatti, fosfaatti, ja synteettiset hartsit ovat vaihtoehtoisia vaihtoehtoja).

Ulkoiset hiekkamuotit luokitellaan kolmeen tyyppiin sideaineiden ja lujuusmuovausmekanismien perusteella: vihreä savi hiekka muotti, kuiva savihiekkamuotit, ja kemiallisesti sidottu hiekkamuotti.

Sula metalli kaadetaan hiekkamuottiin, joka jähmettyy muodostaen valukappaleita, ja muotti vaurioituu yhden kaatamisen jälkeen, eikä sitä voida käyttää uudelleen.

Edut

• Kustannustehokkaat raaka-aineet: Savia on runsaasti ja sen hinta on edullinen; yli 90% käytetystä vihreästä savihiekasta voidaan kierrättää ja käyttää uudelleen hiekkakäsittelyn jälkeen, materiaalihävikin vähentäminen.
• Suuri prosessin joustavuus: Lyhyt muotinvalmistusjakso ja korkea hyötysuhde; sekoitettu muovaushiekka on pitkä käyttöikä; se soveltuu pieniin, suuri, yksinkertainen, ja monimutkaiset valut, sekä yksiosaisena, pieni erä, ja massatuotantoskenaariot.
• Matala varustelukynnys: Ei vaadi huippuluokan erikoislaitteita, sopii pienille ja keskisuurille valimoille.

Haitat & Rajoitukset

• Alhainen tuotannon tehokkuus: Jokaista hiekkamuottia voidaan käyttää vain kerran, ja se on muovattava uudelleen myöhempiä valuja varten, mikä johtaa alhaiseen jatkuvaan tuotannon tehokkuuteen.
• Huono mittatarkkuus: Hiekkamuotien jäykkyys on alhainen, tuloksena valumittojen toleranssiarvot CT10–CT13, jotka eivät voi täyttää korkean tarkkuuden vaatimuksia.
• Suuri vikariski: Valukappaleissa on tyypillisiä vikoja, kuten hiekkapesu, hiekan sisällyttäminen, kaasuhuokoisuus, ja kutistumishuokoisuus hiekkamuottien löysästä rakenteesta johtuen.
• Huono pintalaatu: Valupinta on suhteellisen karkea, vaatii lisätyöstöä viimeistelyn parantamiseksi.

2. Investointi (Kadonnut vaha-casting)

Ydin määritelmä & Prosessin periaate

Investointi, tunnetaan yleisesti kadonneen vahan valuna, on hienostunut prosessikulku:

valmistaa vahakuvioita sulavista materiaaleista, päällystää useita tulenkestäviä materiaaleja kuvion pinnalle keraamisen kuoren muodostamiseksi, sulata ja poista vahakuvio, jotta saadaan muotti ilman irrottavia pintoja, ja paahda korkeassa lämpötilassa ennen sulan metallin kaatamista.

Sitä voidaan soveltaa laajaan valikoimaan metalliseoksia, mukaan lukien hiiliteräs, seosterästä, lämmönkestävä seos, ruostumaton teräs, kupariseoksesta, alumiiniseos, titaaniseoksesta, ja pallokeinen rauta, erityisesti materiaaleille, joita on vaikea käsitellä takomalla tai leikkaamalla.

Edut

• Erinomainen ulottuvuus tarkkuus: Casting toleranssi arvosanat saavuttavat CT4-CT6, paljon korkeampi kuin vihreä hiekkavalu (CT10 - CT13) ja verrattavissa painevaluon (CT5-CT7), valun jälkeisen koneistuksen minimoiminen.
• Korkea materiaalin käyttöaste: Vähentää muotoiltujen ja yhteenliittyvien pintojen työstötilavuutta merkittävästi, säästää koneistusaikaa ja leikkaustyökalun kulutusta, materiaalin käyttöaste ylittää 90%.
• Vahva muodon mukautumiskyky: Voi valaa erittäin monimutkaisia ​​komponentteja, ohuenseinät (seinämän paksuus vähintään 0,5 mm), ja mikrokokoisia valukappaleita (minimipaino 1g);
  se tukee myös koottujen osien integroitua valua, yksinkertaistaa myöhempiä kokoonpanoprosesseja.
• Laaja seos yhteensopivuus: Sopii lähes kaikille metallimateriaaleille, mukaan lukien korkean lämpötilan seokset, magnesiumseokset, titaaniseokset, ja jalometallit, joita on vaikea käsitellä muilla menetelmillä.
• Joustava tuotantoasteikko: Mukautuu massatuotantoon, pienierätuotanto, ja jopa yksiosainen räätälöinti, vahvalla skaalautuvilla.

Haitat & Rajoitukset

• Monimutkainen prosessikulku: Siinä on monimutkaisin prosessi kaikista valumenetelmistä, johon sisältyy vahakuvioiden valmistus, kuoren pinnoite, vahanpoisto, paahtaminen, ja kaatamalla, vaativat tiukkaa prosessin valvontaa.
• Rajoitettu valukoko: Ei sovellu suuriin valuihin; tavanomaisten sijoitusvalujen enimmäispaino on yleensä 50 kg, koska suuret kuoret ovat alttiita halkeilemaan paahtamisen ja kaatamisen aikana.
• Hidas jäähdytysnopeus: Keraamisella kuorella on alhainen lämmönjohtavuus, mikä johtaa sulan metallin hitaaseen kiinteytymiseen, jotka voivat aiheuttaa karkeita raerakenteita joissakin seoksissa.
• Korkeat valmistuskustannukset: Vahakuvioiden hinta, tulenkestävät materiaalit, ja prosessin ohjaus on suhteellisen korkea; se on taloudellisesti kannattavaa vain yhdistettynä pienempään koneistus- ja materiaalisäästöön.

3. Kuolla casting

Ydin määritelmä & Prosessin periaate

Kuolla casting on korkeapainevalumenetelmä, joka sisältää sulan metallin ruiskuttamisen tarkkuusmetallimuotin onteloon suurella nopeudella (10-50m/s) korkean paineen alla (20-150 MPa), ja metallin jähmettäminen paineen alaisena valukappaleiden muodostamiseksi.

Siinä on kaksi perusprosessia: kuumakammiopainevalu (sula metalli virtaa automaattisesti painekammioon) ja kylmäkammiopainevalu (sula metalli kaadetaan manuaalisesti tai automaattisesti painekammioon).

Muotti on valmistettu erittäin lujasta muottiteräksestä, varmistaa toistuvan käytön.

Edut

• Ylivoimainen tuotteen laatu: Valun mittatarkkuus on 6-7 (tasainen arvosana 4 tarkkuustuotteille) pinnan karheus Ra 5-8μm;
  lujuus ja kovuus ovat 25–30 % korkeammat kuin vihreällä hiekkavalulla painekiinteytymisen vuoksi, vaikka venymä pienenee noin 70%.
• Erittäin korkea tuotantotehokkuus: Vaakasuora kylmäkammiopainevalukone voi suorittaa 600–700 sykliä per 8 tuntia,
  kun taas pieni kuumakammioinen painevalukone voi saavuttaa 3 000–7 000 sykliä, ylittää huomattavasti muut valumenetelmät.
• Pitkä muotin käyttöikä: Sinkkiseoksen painevalumuotit voivat kestää satoja tuhansia tai jopa miljoonia kertoja, vähentää pitkän aikavälin tuotantokustannuksia.
• Helppo automaatio: Prosessi on erittäin yhteensopiva mekanisoinnin ja automaation kanssa, vähentää työvoimakustannuksia ja parantaa tuotannon vakautta.
• Erinomaiset taloudelliset edut: Valukappaleet vaativat vain vähän tai ei lainkaan koneistusta, parantaa metallien käyttöä ja vähentää prosessointilaiteinvestointeja;
  Metallien ja ei-metallisten materiaalien yhdistetty painevalu säästää kokoonpanoaikaa ja raaka-aineita.

Haitat & Rajoitukset

• Suuri kaasuhuokoisuuden riski: Nopea täyttö johtaa sulan metallin epävakaaseen virtaukseen,
  sitoo helposti kaasua sisäisen huokoisuuden muodostamiseksi, minkä vuoksi valukappaleita ei voida lämpökäsitellä (lämpökäsittely aiheuttaa kaasun laajenemista ja halkeilua).
• Huono sopeutumiskyky monimutkaisiin koveriin sisäosiin: Sisäisiä koveria monimutkaisia ​​rakenteita on vaikea purkaa, rajoittamalla valumuotojen suunnittelua.
• Lyhyt muotin käyttöikä korkean sulamispisteen metalliseoksille: Korkean sulamispisteen metalliseoksille, kuten kuparilejeeringeille ja rautametallien, home on altis lämpöväsymiselle ja kulumiselle, lyhentää merkittävästi käyttöikää.
• Ei sovellu pientuotantoon: Muotin valmistuskustannukset ovat korkeat, ja painevalukoneiden korkea hyötysuhde tekee pienten erien tuotannosta taloudellisesti kannattamatonta.

4. Pysyvä muottivalu (Kova muottivalu)

Ydin määritelmä & Prosessin periaate

Pysyvä muottivalu, kutsutaan myös kovaksi muottivaluksi, sisältää sulan metallin kaatamisen metallimuottiin valukappaleiden muodostamiseksi.

Muotti on valmistettu valuraudasta tai valuteräksestä ja sitä voidaan käyttää uudelleen satoja tai tuhansia kertoja, tästä syystä nimi "pysyvä home".

Valukappaleiden sisäontelossa voidaan käyttää metallisydämiä tai hiekkahylsyjä, ja muottirakenteet on jaettu vaakasuoraan jakamiseen, pystysuora erotus, ja komposiittijako, joka mukautuu erilaisiin valumuotoihin:

pystyjako helpottaa porttia ja muotista purkamista, vaakasuora jako on ohutseinäisille pyöränmuotoisille osille, ja komposiittijako on tarkoitettu monimutkaisille komponenteille.

Edut

• Erinomainen muotin uudelleenkäytettävyys: "Yksi muotti useille valuille" eliminoi toistuvan muottien tarpeen, säästää valumateriaaleja ja aikaa, ja tuotannon tehokkuuden parantaminen.
• Korkea valuteho: Metallimuotilla on vahva jäähdytyskyky, mikä johtaa tiheään valurakenteeseen ja ylivertaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin verrattuna hiekkavaluihin.
• Hyvä mittatarkkuus ja pinnanlaatu: Valutoleranssiarvot saavuttavat IT12–IT14, pinnan karheus Ra ≤6.3μm, vähentää jälkikäsittelyn työmäärää.
• Parannetut työolosuhteet: Se käyttää vähän tai ei ollenkaan hiekkaa, pölysaasteiden välttäminen ja työntekijöiden toimintaympäristön optimointi.

Haitat & Rajoitukset

• Korkeat muottikustannukset ja pitkä valmistusjakso: Metallimuotit vaativat lujia materiaaleja ja tarkkaa käsittelyä,
  suurilla ennakkoinvestoinneilla ja pitkällä toimitusajalla, ei sovellu yksiosaiseen ja pieniin eriin.
• Rajoitetut soveltuvat seokset ja valukoot: Soveltuu pääasiassa ei-rautametalliseosvalujen massatuotantoon (alumiiniset männät, sylinterilohkot, sylinterinpäät, kupariseoksesta valmistetut holkit, jne.) autoja varten, lentokone, ja polttomoottorit;
  rautaseosvaluihin, se soveltuu vain pieniin ja keskikokoisiin osiin, joissa on yksinkertainen muoto.
• Tiukat prosessivaatimukset: Muotti tarvitsee esilämmitystä ja lämpötilan säätöä kylmäsulkemisen ja muotin halkeilun välttämiseksi; se on altis lämpöväsymiselle pitkäaikaisen käytön jälkeen, vaikuttaa valun laatuun.

5. Matalapainevalu

Ydin määritelmä & Prosessin periaate

Matalapainevalu on valumenetelmä, joka täyttää muotin ja kiinteyttää sulan metallin matalassa paineessa (0.02-0,06 MPa).

Ydinprosessi sisältää: sulan metallin kaataminen eristettyyn upokkaaseen, upokkaan sulkeminen, nousuputken yhdistäminen muottiin, syötetään kuivaa paineilmaa upokkaaseen sulan metallin ajamiseksi ylöspäin nousuputken läpi muotin ontelon täyttämiseksi,
kiinteyttää metallia jatkuvassa paineessa, vapauttamalla paine, jotta sulan metallijäännös pääsee virtaamaan takaisin upokkaaseen, ja lopuksi avaamalla muotti valukappaleen poistamiseksi.

Edut

• Joustava prosessinhallinta: Sulan metallin nousunopeus ja jähmettymispaine ovat säädettävissä, sopii erilaisiin muotteihin (metallimuottit, hiekkamuotit) ja seokset, sekä erikokoisia valukappaleita.
• Vakaa täyttö ja alhainen vikasuhde: Alhaalta ylöspäin suuntautuva täyttö varmistaa sulan metallin tasaisen virtauksen ilman roiskeita, kaasun juuttumisen ja muotin seinämien ja ytimien eroosion välttäminen;
  valuvirheet, kuten kaasun huokoisuus ja kuonapitoisuudet, vähenevät merkittävästi, kelpoisuusaste on ohi 95%.
• Laadukkaat valukappaleet: Painekiinteytys toteuttaa suunnatun jähmettymisen ulkopuolelta sisään, tuloksena on tiheä valurakenne,
  selkeät ääriviivat, sileät pinnat, ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, sopii erityisesti suurille ohutseinäisille osille.
• Korkea materiaalin käyttöaste: Ruokintakorkeutta ei tarvita, materiaalin käyttöaste 90–98 %, vähentää metallijätettä.
• Ystävällinen työympäristö: Matala työvoimaintensiteetti, yksinkertaiset varusteet, ja koneellistamisen ja automaation helppo toteuttaa, nykyaikaisten tuotantovaatimusten mukaisesti.

Haitat & Rajoitukset

• Lyhyt nousuputken käyttöikä: Nousuputki on suorassa kosketuksessa korkean lämpötilan sulan metallin kanssa pitkän aikaa, altis hapettumiselle ja kulumiselle, vaatii säännöllistä vaihtoa.
• Sulan metallin saastumisen vaara: Lämmönsäästön aikana, sula metalli hapettuu helposti ja sekoittuu kuonan kanssa, vaativat tiukkaa lämmönsäilytysympäristön valvontaa ja sulan metallin puhdistusta.
• Rajoitettu sovellusalue: Käytetään pääasiassa korkealaatuisten alumiiniseosten ja magnesiumseosten valujen valumiseen, kuten sylinterilohkot, sylinterinpäät, kampikammiot, ja nopeiden polttomoottorien alumiinimännät; Sitä käytetään harvoin rautaseoksille korkeiden lämpötilavaatimusten vuoksi.

6. Keskipakovalu

Ydin määritelmä & Prosessin periaate

Keskipakovalussa sulan metallin kaataminen pyörivään muottiin, jossa metalli täyttää muotin ja jähmettyy keskipakovoiman vaikutuksesta.

Muotin pyörivän akselin suunnan mukaan, se on jaettu kolmeen tyyppiin: vaakasuora keskipakovalu (akseli vaakasuoraan tai <4° vaakasuuntaan, sopii pitkille sylinterimäisille osille),

pystysuora keskipakovalu (akseli pystysuoraan, sopii lyhyille sylinterimäisille tai rengasmaisille osille), ja kaltevan akselin keskipakovalu (harvoin käytetty monimutkaisen toiminnan vuoksi).

Keskipakovoima ohjaa sulan metallin suuntaista liikettä, optimoida valurakenne.

Edut

• Yksinkertaistettu muotin rakenne: Onttoihin pyöriviin osiin, ei ydintä, porttijärjestelmä, tai nousuputki tarvitaan, yksinkertaistaa muotin suunnittelua ja alentaa valmistuskustannuksia.
• Laadukkaat valukappaleet: Keskipakovoima erottaa matalatiheyksiset kaasut ja kuonat sisäpinnalle,
  ja edistää suunnattua jähmettymistä ulkoa sisälle, tuloksena on tiheä valurakenne, vähän vikoja, ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudet.
• Kustannussäästöä bimetalliosissa: Helposti valettavat bimetallikomponentit, kuten holkit ja laakerit (ESIM., teräsholkit, joissa ohut kuparivuori), säästää kalliita ei-rautametalleja ja varmistaa samalla suorituskyvyn.
• Vahva täyttökapasiteetti: Keskipakovoima lisää sulan metallin juoksevuutta, soveltuu ohutseinäisten osien ja huonosti juoksevien metalliseosten valuun.
• Vähentynyt materiaalihävikki: Poistaa porttijärjestelmät ja nousuputket, parantaa materiaalin käyttöä entisestään.

Haitat & Rajoitukset

• Huono sisäpinnan laatu: Valukappaleiden vapaa sisäpinta on karhea, suurilla mittavirheillä ja huonolla yhtenäisyydellä, vaatii myöhempää työstöä mittavaatimusten täyttämiseksi.
• Ei sovellu tietyille seoksille: Ei sovellu seoksiin, joilla on voimakas tiheyserotus (ESIM., lyijypronssia), koska keskipakovoima pahentaa segregaatiota;
  ei myöskään sovellu alumiinille ja magnesiumseoksille niiden alhaisen tiheyden ja heikon keskipakoerotusvaikutuksen vuoksi.
• Rajoitetut valumuodot: Soveltuu vain pyöriviin symmetrisiin osiin (sylinterit, renkaat, hihat); ei voi valaa monimutkaisia ​​osia, joilla on epäsäännölliset ääriviivat.
• Korkeat laitevaatimukset: Vaatii erikoistuneet keskipakovalukoneet, joissa on vakaa pyörimisnopeuden säätö, laiteinvestointien lisääminen.

7. Yleisimmin käytettyjen valumenetelmien vertailutaulukko

8. Johtopäätös

Jokainen valumenetelmä tarjoaa ainutlaatuisia etuja ja rajoituksia, jotka tekevät siitä sopivan tiettyihin sovelluksiin.

Hiekkavalu on edelleen monipuolisin ja taloudellisin menetelmä suurille, monimutkaiset valut, kun taas investointivalu tarjoaa poikkeuksellista tarkkuutta arvokkaille komponenteille.

Painevalu on erinomainen ohutseinäisten osien suurivolyymituotannossa, ja pysyvä muottivalu tarjoaa tasaisen laadun keskimääräiseen ei-rautametallien tuotantoon.

Matalapainevalu on ihanteellinen erittäin kestäville alumiini- ja magnesiumkomponenteille, ja keskipakovalu on vertaansa vailla ontoissa symmetrisissä osissa.

Sopivan valumenetelmän valinta riippuu tekijöistä, kuten osan geometriasta, vaadittava mittatarkkuus, pintapinta, materiaalityyppi, tuotantomäärä, ja kustannusnäkökohdat.

Nykyaikainen valmistus yhdistää näitä tekniikoita yhä enemmän hyödyntääkseen niiden toisiaan täydentäviä etuja, edistää innovaatioita monimutkaisessa komponentituotannossa ilmailu- ja avaruusalalla, autoteollisuus, ja teollisuuden aloilla.